高强弹体侵彻白麻花岗岩靶体的数值模拟研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.03.007

摘要/Abstract

摘要：

为了研究白麻花岗岩在高强度弹体中高速侵彻条件下的力学损伤响应，运用显式动力学有限元分析软件LS-DYNA，应用经SHPB试验验证的HJC材料模型，开展了弹头形状系数为3、直径为?20 mm、长径比为6的刚性弹体以不同初速度侵彻白麻花岗岩靶体的一系列数值模拟研究。同时，针对传统有限元方法难以解决材料大变形导致的网格畸变等问题，采用SPH-FEM耦合方法对靶体进行建模。通过改变弹体配置，研究了不同弹头形状对弹体侵彻性能的影响。模拟结果表明：SPH-FEM方法可以有效模拟岩石靶体受高速冲击的力学损伤响应。由不同撞击速度与侵彻深度的关系得到了有关白麻花岗岩侵彻深度的经验公式，其中侵彻深度与撞击速度呈正比，经验公式可用于相似强度岩体的侵彻深度预测。当初速度为50，100，150，200，250，300 m/s时，平头弹侵彻深度分别为卵形弹侵彻深度的16.7%、27.8%、35.1%、32.1%、36.1%和40.5%，平头弹的侵彻性能远低于卵形弹，且侵彻损伤区域较小。

关键词: 岩石力学, 数值模拟, 力学损伤, 侵彻性能, 经验公式, SPH-FEM耦合方法

Abstract:

It is of great significance to investigate the penetration effect of high strength projectile on rock mass for the development of rock breaking technology in mine drilling.The penetration process is a process with large deformation of material.It is difficult for traditional finite element method to solve the problem with large deformation，which will lead to mesh distortion and calculation disruption.In order to obtain the damage responses of white granite under the condition of high speed penetration，the HJC material model was employed to model the white granite target and the projectile was assumed to be rigid.The HJC model was calibrated by the SHPB test data and the results show that the HJC model is capable to model the mechanical behavior of white granite under high strain rate conditions.The nonlinear finite element analysis software LS-DYNA was utilized and an SPH-FEM coupled method was developed to overcome the penetration problem with large deformation of granite target.A series of numerical simulation of projectile impacting white granite target with different velocity were carried out.The projectile is with diameter of 20 mm，CRH of 3 and length-diameter ratio of 6.The simulation results show that the SPH-FEM method can effectively simulate the mechanical damage response of rock target subjected to high speed impact.Based on the relationship between different impact velocities and penetration depth，an empirical formula for penetration depth of white granite is obtained，which can be used to predict the penetration depth of rock mass with similar strength.Finally，the effects of different nose shapes on penetration performance was studied. The results show that the penetration performance of flat-nose projectile is much lower than that of ogive-nose projectile，and the penetration damage area is smaller.The penetration depths of flat-nose projectile at initial velocity of 50，100，150，200，250 and 300 m/s are 16.7%，27.8%，35.1%，32.1%，36.1%，40.5% of the penetration depths of ogive-nose projectile，respectively.

Key words: rock mechanics, numerical simulation, mechanical damage, penetration performance, empirical formula, SPH-FEM coupling method

中图分类号:

TJ410

黄进,刘科伟,靳绍虎. 高强弹体侵彻白麻花岗岩靶体的数值模拟研究[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(3): 411-420.

Jin HUANG,Kewei LIU,Shaohu JIN. Numerical Simulation Study of High-strength Projectile Penetrating White Granite Target[J]. Gold Science and Technology, 2021, 29(3): 411-420.

图/表 14

图1

表1

白麻花岗岩HJC模型参数取值"

参数名称	数值	参数名称	数值
密度ρ₀/（kg·m^-3）	2 607	锁定压力P_l/GPa	3.47
准静态单轴抗压强度f_c/MPa	89.4	锁定体积应变 $μ l$	0.02
归一化内聚强度A	0.3	压实压力P_c/MPa	29.8
归一化硬化压力B	2.0	压实体积应变 $μ c$	2.1E-3
压力硬化指数N	0.79	压力常数K₁/GPa	116
应变率系数C	0.003 6	压力常数K₂/GPa	-243
最大拉伸静水压力T/MPa	4.56	压力常数K₃/GPa	506
剪切模量G/GPa	9.88	损伤常数D₁	0.04
归一化最大强度S_max	7	损伤常数D₂	1.0
断裂塑性应变EFMIN	0.01	准静态应变率EPS0	1.0

表1

表2

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

参考文献 0

	Berard R S，1975.Deep penetration theory for homogeneous and layered targets［R］.Vicksburg：Army Engineer Waterways Experiment Station.
	Berard R S，1977.Empirical analysis of projectile penetration in rock［R］.Vicksburg：Army Engineer Waterways Experiment Station.
	Berard R S，1978.Depth and motion prediction for earth penetrators［R］.Vicksburg：Army Engineer Waterways Experiment Station.
	Deng Yongjun，Chen Xiaowei，Yao Yong，2020.Study on the cavity expansion response of the concrete target under penetration［J］. Scientia Sinica（Physica，Mechanica & Astronomica），50（2）：34-51.
	Fang Qin，Kong Xiangzhen，Wu Hao，al et，2014.Determination of Holmquist-Johnson-Cook constitutive model parameters of rock［J］.Engineering Mechanics，31（3）：197-204.
	Forrestal M J，Altman B S，Cargile J D，al et，1994.An empirical equation for penetration depth of ogive-nose projectiles into concrete targets［J］.International Journal of Impact Engineering，15（4）： 395-405.
	Forrestal M J，Luk V K，1992.Penetration into soil targets［J］.International Journal of Impact Engineering，12（3）：427-444.
	Frew D J，Forrestal M J，Hanchak S J，2000.Penetration experiments with limestone targets and ogive-nose steel projectiles［J］.Journal of Applied Mechanics，67（4）：841-845.
	Holmquist T J，Johnson G R，Cook W H，1993.A computational constitutive model for concrete subjected to large strains，high strain rates，and high pressures［C］//The International Symposium on Ballistics.Arlington：American Defense Preparedness Association：591-600.
	Kuang Yuchun，Zhu Zhipu，Jiang Haijun，al et，2012. The experimental study and numerical simulation of single-particle impacting rock［J］.Acta Petrolei Sinica，33（6）：1059-1063.
	Liu G R，Liu M B， 2005.Smoothed Particle Hydrodynamics： A Meshfree Particle Method［M］.Han Xu，Yang Gang，Qiang Hongfu，transl.Changsha：Hunan University Press.
	Livingston C W，Smith F L，1951.Bomb penetration projectile［R］.Golden：Colorado School of Mines Research Foundation.
	Ren G M，Wu H，Fang Q，al et，2017.Parameters of Holmquist-Johnson-Cook model for high-strength concrete-like materials under projectile impact［J］.International Journal of Protective Structures，8（3）：352-367.
	Shen Jun，Liu Ruizhao，Yang Jianchao，al et，2008.Experimental and theoretical studies of projectile penetrating rocks［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，27（5）：946-952.
	Wang Mingyang，Deng Hongjian，Qian Qihu，2005. Study on problems of near cavity of penetration and explosion in rock［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，24（16）：62-66.
	Wang Mingyang，Li Jie，Li Haibo，al et，2018.Dynamic compression behavior of rock and simulation of damage effects of hypervelocity kinetic energy bomb［J］.Explosion and Shock Waves，38（6）：1200-1217.
	Wang Mingyang，Rong Xiaoli，Qian Qihu，al et，2003.Calculation principle for penetration and perforation of projectiles into rock［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，22（11）：1811-1816.
	Wen Lei，Li Xibing，Wu Qiuhong，al et，2016.Study on parameters of Holmquist-Johnson-Cook model for granite porphyry［J］.Chinese Journal of Computational Mechanics，33（5）：725-731.
	Young C W，1967.The development of empirical equation for prediction depth of an earth penetrating projectiles［R］.Albuquerque：Sandia National Laboratories.
	Young C W，1997.Penetration equations［R］.Albuquerque：Sandia National Laboratories.
	Zhang Dezhi，Lin Junde，Tang Rundi，al et，2006.An empirical equation for penetration depth of projectiles into high-strength rock targets［J］.Acta Armamentarii，27（1）：15-18.
	Zhang Dezhi，Zhang Xiangrong，Lin Junde，al et，2005.Penetration experiments for normal impact into granite targets with high-strength steel projectile［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，24（9）：1612-1618.
	Zhao Jian，Wu Xianzhu，Han Liexiang，al et，2013.Study on new progress of particle impact drilling technology and rock breaking numerical simulation［J］.Drilling & Production Technology，36（1）：1-5，7.
	Н Ханукаев A，1980.Physical process of mineral rock mass blasting［M］.Liu Dianzhong，transl.Beijing：Metallurgical Industry Press.
	邓勇军，陈小伟，姚勇，2020.钢筋混凝土靶侵彻过程中空腔膨胀响应分区研究［J］.中国科学（物理学力学天文学），50（2）：34-51.
	方秦，孔祥振，吴昊，等，2014.岩石Holmquist-Johnson-Cook模型参数的确定方法［J］.工程力学，31（3）：197-204.
	哈努卡耶夫A H，1980.矿岩爆破物理过程［M］.刘殿中，译.北京：冶金工业出版社.
	况雨春，朱志镨，蒋海军，等，2012.单粒子冲击破岩实验与数值模拟［J］.石油学报，33（6）：1059-1063.
	Liu G R，Liu M B，2005.光滑粒子流体动力学：一种无网格粒子法［M］.韩旭，杨刚，强洪夫，译.长沙：湖南大学出版社.
	沈俊，刘瑞朝，杨建超，等，2008.弹体侵彻岩体效应试验与理论研究［J］.岩石力学与工程学报，27（5）：946-952.
	王明洋，邓宏见，钱七虎，2005.岩石中侵彻与爆炸作用的近区问题研究［J］.岩石力学与工程学报， 24（16）：62-66.
	王明洋，李杰，李海波，等，2018.岩石的动态压缩行为与超高速动能弹毁伤效应计算［J］.爆炸与冲击，38（6）：1200-1217.
	王明洋，戎晓力，钱七虎，等，2003.弹体在岩石中侵彻与贯穿计算原理［J］.岩石力学与工程学报，22（11）：1811-1816.
	闻磊，李夕兵，吴秋红，等，2016.花岗斑岩Holmquist-Johnson-Cook本构模型参数研究［J］.计算力学学报，33（5）：725-731.
	张德志，林俊德，唐润棣，等，2006.高强度岩石侵彻经验公式［J］.兵工学报，27（1）：15-18.
	张德志，张向荣，林俊德，等，2005.高强钢弹对花岗岩正侵彻的实验研究［J］.岩石力学与工程学报，24（9）：1612-1618.
	赵健，伍贤柱，韩烈祥，等，2013.粒子钻井技术新进展与破岩数值模拟研究［J］.钻采工艺，36（1）：1-5，7.

Metrics

Viewed

Full text

Abstract

Cited

Shared

Discussed

应变率	压缩强度/MPa	等效强度
10^-4	89.4	1.00
121	131.0	1.47
140	139.0	1.56
155	143.0	1.60

[1]	何祥锐, 邱贤阳, 史秀志, 李小元, 支伟, 刘军, 王远来. 基于非线性弹性地基梁的地下矿山充填开采覆岩移动规律研究[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(4): 640-653.
[2]	虞云林, 侯克鹏, 杨八九, 程涌, 卢泰宏, 张楠楠. 云锡高峰山矿段矿柱回采方案研究[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(3): 445-457.
[3]	李波, 温晨, 史秀志. 高应力扇形中深孔采场边帮控制爆破参数优化[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(3): 511-522.
[4]	刘宽, 莫冠旺, 李响, 沈平欢, 万波, 刘建坤. 超大断面扁平结构隧道施工参数优化研究[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(2): 330-344.
[5]	王开彬, 刘钦, 王洪涛. 压力型锚索锚固段荷载传递特征及影响因素研究[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(1): 123-131.
[6]	徐泽峰, 史秀志, 黄仁东, 丁文智, 陈新. 基于满管输送的充填管路优化研究[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(1): 160-169.
[7]	李杰林, 刘一良, 王玉普, 李在利, 周科平, 程春龙. 高温独头巷道压抽混合式通风参数对人工制冷降温效果的影响[J]. 黄金科学技术, 2024, 32(1): 63-74.
[8]	费鸿禄, 纪海楠, 山杰. 露天台阶水介质间隔装药结构优选及对比试验研究[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(6): 930-943.
[9]	单文法, 毛先成, 刘占坤, 邓浩, 陈进, 张维, 王海正, 杨鑫. 胶东大尹格庄金矿床成矿过程数值模拟及其找矿意义[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(5): 707-720.
[10]	张玉, 王文己, 孙加奇, 肖永刚. 层理结构板岩动态断裂特性[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(5): 803-810.
[11]	赵亚楠, 赵一航, 蒋中明, 赵红敏. 基于离散元法的高放核废料储罐静动力稳定性初步研究[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(4): 592-604.
[12]	马恒,高嘉毅,李世虎,高科. 双机并联空气幕射流角度对巷道风流的影响[J]. 黄金科学技术, 2022, 30(5): 743-752.
[13]	郭对明,李国清,侯杰,胡乃联. 基于FLUENT的深井掘进巷道局部通风参数优化[J]. 黄金科学技术, 2022, 30(5): 753-763.
[14]	周占星,刘科伟,李旭东,黄晓辉,马泗洲. 油罐爆炸作用下隧道衬砌动力响应数值模拟研究[J]. 黄金科学技术, 2022, 30(4): 612-622.
[15]	钟伶志,毛先成,刘占坤,肖克炎,王春锬,陈武. 胶东三山岛金矿带构造几何特征控矿作用：来自数值模拟的启示[J]. 黄金科学技术, 2022, 30(3): 352-365.